七格污水处理厂改造对钱塘江水质的影响研究 5页

第47卷第24期人民长江Vo1．47，No．242016年12月YangtzeRiverDec．，2016文章编号：1001—4179(2016)24—0021—05七格污水处理厂改造对钱塘江水质的影响研究蓝雪春，邰雄飞，章宏伟(浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002)摘要：为分析七格污水处理厂提标改造对钱塘江河口水质的改善情况，利用MIKE21建立了钱塘江河口闸口至盐官的平面二维潮流和水质模拟分析模型。模型验证后，选取90％保证率枯水年的实测河道地形和大潮期实测潮位过程，分析了七格污水处理厂提标改造工程对钱塘江河口水质变化的影响。结果表明：七格污水处理厂提标改造后，钱塘江河口NH一N劣于Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类限值的最大影响范围分别减少了约22％，89％和50％，最大值和平均值分别降低了约21％和1O％；TP劣于Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类限值的最大影响范围分别减少了约19％，85％和33％，最大值和平均值分别降低了约22％和7％；而COD劣于Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ类限值的最大影响范围分别减少了约84％，0％和O％，最大值和平均值分别降低了约7％和3％。七格污水处理厂的提标改造可有效削减排入钱塘江的污染物总量。关键词：水质模拟；MIKE21；污水处理厂；钱塘江河口中图法分类号：X820．3文献标志码：ADOI：10．16232／j．cnki．1001—4179．2016．24．005钱塘江河口属强潮河口，受岸线压缩反射和河床二维潮流和水质模型，分析杭州市七格污水处理厂提抬高、水深变浅的共同影响，形成举世闻名的钱江涌标改造工程对钱塘江河口水质的影响程度及范围，籍潮。钱塘江涌潮一般在盐官至八堡一带达到最大，在此为下游及类似区域其它污水处理厂实施提标改造提闻堰一带消失，而潮波则可上溯至上游数百公里处的供借鉴。富春江电站⋯。由于钱塘江河口潮差大、水动力条件1研究区概况复杂，成为众多学者研究关注的区域。陈冬云、许丹等利用二维水流水质数学模型，研究了感潮河口突发水钱塘江河口富阳、萧山交界处以下至三堡船闸河污染事故污染物的迁移规律及上游径流对污染物的调段是杭州市重要的饮用水源保护区，现状水质为Ⅲ类，控效应。朱宝土等运用高精度平面二维水质输移目标水质为Ⅱ类。三堡船闸以下至老盐仓河段现状水模型对钱塘江河口突发水污染事故进行了动态模拟，质和目标水质均为Ⅲ类。杭州市区8家主要自来水厂评估其对杭州市饮用水取水口水质的影响。朱军的取水口均位于三堡船闸以上河段，而三堡船闸以下政和曹颖应用平面二维动态水质模型进行了钱塘江河至盐官河段目前分布有七格、钱江和盐仓3座大型城上段污染物负荷总量控制削减方案研究。姚炎明市污水处理厂，污水排放规模达158万t／d，其中距保等人则在模拟钱塘江河段潮汐和潮流场的基础上，探护区最近的是下游约9km的七格污水处理厂，见图讨了潮动力对排放口污染物的稀释扩散作用及能1。力⋯。陈琴利用二维数值模型研究了钱塘江河口不2010～2014年钱塘江闸口以下杭州段的水质监同径流量及径流历时对非恒定径流源输移过程的影测资料显示，COD，NH，一N和TP三项污染指标的逐响。本文通过建立钱塘江河口闸口至盐官的平面年均值虽能满足相应的水环境功能区目标水质要求，收稿日期：2016—03—07作者简介：蓝雪春，男，高级工程师，硕士，主要从事水环境保护与水生态修复研究工作。E—mai1：816095180@qq．tom\n22人民长江但NH一N指标近年呈上升趋势，并且各污染指标枯黏性项分量；S为源汇项。水期均值明显高于平水期和丰水期，说明枯水期水质2．2水质模型较差。为减少对钱塘江河口水质的影响，削减N、P等由于钱塘江河口段潮流动力强劲，污染物在垂向营养盐输入杭州湾，主管部门拟对七格污水处理厂进上很快掺混均匀，因此本次研究仅考虑污染物浓度在行提标改造，改造后出水从《城镇污水处理厂污染物二维平面上的分布。模型以对流扩散原理为基础，采排放标准》(GB18918—2002)一级B标准提高至一级用MIKE21AD对流扩散模块，与潮流方程耦合计算，A标准。模拟污染物在水体中的对流扩散过程。对流扩散方程为警—a—+—a—+—d—y=[lL熹—a—(I＼Dh_二-)，I+—a—(I＼Dh_a=-)，l]Jl×G一后C十CS(4)式中，h为水深；t为时间；“，为，Y方向上的流速分量；S为源汇项；C为污染物浓度；C为源项浓度；k为降解系数；D为和Y方向污染物扩散系数。2．3模型计算范围模型计算范围为闸口一盐关(见图1)。采用三角图1研究河段示意形网格，能良好地拟合岸线及局部江道突变区域。网格分辨率由边界向七格污水处理厂排放口处逐渐增2水质模型的建立及验证加，最高分辨率为30m，最低分辨率为150m，整个计2．1水流模型算区域共10591个节点，20127个三角形网格，面积98．126km。根据研究河段的特点，采用丹麦水力学研究所研制的无结构网格平面二维MIKE21FM水流模型研究2．4模型验证钱塘江河口的潮流特点。水流模型包括连续性方程和模型计算范围上、下边界和区间内分别设有闸口、动量方程。盐官、七堡和仓前水文站，环保部门在闸口、七堡和猪连续性方程：头角设有常规水质监测站点，各站点均有实测数据，可OhOhu一十一+：S(1)用于水流和水质模型验证。模型验证均采用2010年a￡aay实测的潮位、水质和污染源资料及与之相配套的同时动量方程：段河道地形。图2为部分时段潮位验证成果，表1为Ohu2Ohuvfvh—gh一一h+一十一：一水质验证结果。daayOxP0Oxgh20p+一一(O+)+三()+三podxpopbPoxOyOx(hL)+UsS(2)OhvOhuv+一c3hv2ftuhb—gh一一h一——+～——+——：=一一一————一一daayayp0ay20p+TsyTbyg2ph一一(+)+三(hT,y)+￡po。ad，popoPoc)xoyox()+VsS(3)式中，h为水位，即水面到某一基准面的距离；t为时间；，v为，Y方向上的流速分量；g为重力加速度为柯氏力参数；p为水密度；P。为水的参照密度；S⋯SJs为波浪辐射应力分量；P。为大气压力；r为风应力分量；为底部摩擦应力分量；，Tx，Tyy为图2七堡、仓前潮位验证成果\n第24期蓝雪春，等：七格污水处理厂改造对钱塘江水质的影响研究23从图2中可以看出，七堡和仓前两个站点的潮位件。实测值和计算值较为吻合，计算值整体上比实测值偏3．3边界水质小。经统计，七堡站81．6％的潮位计算误差在0．1m边界水质选用2014年同期实测值，见表2。以内，98．7％的潮位计算误差在0．2m以内，仓前站表2研究水质河段边界mg／L31．2％的潮位计算误差在0．1m以内，91．4％的潮位误差在0．2m以内。验证结果表明模型采用的计算参数和系数基本合理，计算方法可靠，模型较好地反映了钱塘江河口杭州段的潮流运动特性。表1枯水期水质均值验证结果3．4主要污染源目前，研究河段内共有3座大型城市污水处理厂向钱塘江排放污水，年排放污水57670万t，年排放CODc，NH3一N和TP分别为36938，5606．4t和693．5t，见表3。各污水处理厂排放口位置见图1。表3研究河段主要污排染源放况情注：考虑不利条件，采用枯水期均值进行验证，CODc，／CODM=2．5。从表1的验证结果看，各污染指标的计算值与实测值误差基本在10％以内，说明模型采用的计算参数和扩散系数基本合理，计算方法可靠，所采用的对流扩散模块基本上能反映出钱塘江河口杭州段污染物的扩散规律和水质变化特征。3研究条件设定3．5计算方案3．1河道地形七格污水处理厂提标改造后排放标准从一级B模拟河段河床受径流和潮流共同作用影响，冲淤标准提高至一级A标准。据此，确定计算方案见表4。幅度较大，具有年内“洪冲潮淤”，年际“丰冲枯淤”的表4计算方案特点。河床的抬升必定导致河槽容积缩小，引起潮流和潮量的变化，从而影响水体的交换能力。河床容积大时，潮汐动力强，稀释能力强；河床容积小时，则相A1(提标改造前B标准)4380060／248(15)1．0反。根据2004年以来研究河段实测河道地形数据，对A2(提标改造后A标准)4380050／205(8)0．5注：括亏内数值为水温≤12时允许排放浓度。比后采用2004年的河道地形代表枯水年河床容积小、淤积严重的不利地形。3．6数据提取3．2潮汐根据《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)，受潮汐影响，涨潮、大潮期河口下游河段的排污会地表水污染指标按限值从低到高分为5类。为表示不对上游水质产生影响，落潮、小潮期污染物随潮退出，同污染物对研究河段水质的影响程度和范围，计算结河道水质将得到明显改善。孙浙英等人在研究潮果按污染指标各分类限值提取等值线包络面积。不同汐和径流对钱塘江河口水体含氯度的影响时发现，每限值的等值线包络面积最大值代表该污染物浓度大于年9～11月上游径流量较小且处于秋季大潮时，七堡等于该限值时对研究河段水质的最大影响范围，代表站点的含氯度较高且超标时间是一年中最长的。可能出现的最不利情况；平均值则代表该污染物浓度由此说明，在枯水期大潮顶托作用，对钱塘江河口污染大于等于该限值时对研究河段水质的平均影响范围，物的扩散具有是非常不利的影响。本文对钱塘江河口代表可能出现的一般情况。此外，计算结果还提取了2004～2013年共10a的年平均径流量进行排频，选取七格污水处理厂提标改造前后不同污染指标对整个研90％保证率枯水年(2004年)大潮期(10月)闸口和盐究河段及特定站点水质的影响，最大值代表研究河段官实测潮汐过程作为水位边界条件作为不利潮汐条及特定站点可能出现的污染物最大浓度，平均值代表\n\n第24期蓝雪春，等：七格污水处理厂改造对钱塘江水质的影响研究25从提标改造前的0．003km减少到0．002km，减少了质变化特征，计算成果可靠、精度较高。0．001km，为改造前的33％；劣于I类和V类限值的(2)从污染物影响范围看，七格污水处理厂提标水域面积提标改造前后基本无变化。改造后可显著减少污染物的超标影响范围，其中NH，表7TP对水质的影响一N超标面积减少了约89％，TP超标面积减少了约85％(3)从污染物影响程度看，七格污水处理厂提标改造对减轻TP和NH一N对水质污染影响的作用明显大于COD，且主要局限在三堡船闸到老盐仓河段。(4)实施七格污水处理厂提标改造工程，可有效削减排入钱塘江河口及杭州湾的营养盐总量，对降低杭州湾发生赤潮的风险极为有利。4．2提标改造前后污染影响浓度的变化参考文献：从表5～7可以看出，NH一N对研究河段水质的[1]尤爱菊，史英标，李若华．强潮河口主要水环境问题及保护研究最大影响浓度从提标改造前的5．456mg／L降低到提[c]∥中国环境科学学会2011年学术年会论文集．北京：中国环境出版社。2011：295—300．标改造后的4．313mg／L，降低了约21％。平均值从[2]陈冬云，丁涛．感潮河口突发水污染事故的径流调控效应研究0．342mg／L降低到0．310mg／L，降低了约10％。[J]．安全与环境学报，2013，13(2)：266—269．COD对研究河段水质的最大影响浓度从提标改造前[3]许丹，孙志林．钱塘江河口突发污染物扩散数值模拟分析[J]．浙的19．67mg／L降低到提标改造后的18．25mg／L，降江大学学报：工学版，2010，44(9)：1767—1772．低了约7％。平均值从0．342mg／L降低到0．310[4]许丹．钱塘江河口物质榆移与能量数值研究[D]．杭州：浙江大mg／L，降低了约3％。TP对研究河段水质的最大影响学，2010：52—66．[5]朱宝土，史英标，穆锦斌，等．平面二维高精度水质输移数学模型浓度从提标改造前的0．801mg／L降低到提标改造后及其应用[J]．中国农村水利水电，2010(1)：47—55．的0．623mg／L，降低了约22％，平均值从0．098mg／L[6]朱军政，曹颖．平面二维动态水质模型在钱塘江河口上段污染控降低到0．091mg／L，降低了约7％。从提标改造前后制中的应用[J]．水力发电学报，2009，28(6)：157—161．污染物浓度变化幅度看，提标改造对减轻TP和NH一[7]姚炎明，李佳，周大成．钱塘江河口段潮动力对污染物稀释扩散作N对水质污染影响的作用明显大于COD。用探讨[J]．水力发电学报，2005(24)：99—104．[8]陈琴．钱塘江非恒定径流源的输移过程研究[D]．杭州：浙江大从表5～7还可以看出，提标改造对研究河段水质学，2012：48—60．的改善作用主要局限在三堡船闸到老盐仓河段，图3[9]尤爱菊，李若华韩，曾萃，等．基于潮汐变化特征的钱塘江河口环～5中各污染物浓度等值线分布同样也说明了这点。境需水[J]．水力发电学报，2012，31(4)：125—130．4．3结论[10]孙浙英，孙志林，许丹．钱塘江饮用水源地含氯度受潮汐与径流影响分析[J]．人民长江，2013，44(9)：11—14．(1)采用MIKE21模型可以较好地反映钱塘江(编辑：常汉生)河口杭州段的潮流运动特性、污染物的扩散规律和水StudyonimpacttowaterqualityofQiantangRiverEstuarybyupgradingQigeWastewaterTreatmentPlantLANXuechun，SHAOXiongfei，ZHANGHongwei(ZhejiangDesignInstituteofWaterConservancy&Hydro—electricPower，Hangzhou310002，China)Abstract：ToanalyzethepositiveeffectonwaterqualityofQiantangRiverEstuarybyraisingdischargestandardsofQigeWastewaterTreatmentPlant，atwo—dimensionaltidalandwaterqualitymodelforQiantangRiverEstuaryfromZhakoutoYan—guanisestablishedwithMIKE21．Aftermodelvalidation，choosingthefieldsurveydataofriverbedterrainandspringtidelevelunderassurancerateof90％dryyearsascalculationconditionofthismodel，thewaterqualityvariationofQiantangRiverestuaryisanalyzed．Theresultsshowthatafterraisingdischargestandardsoftheplant，themaximumimpactareasofNH3一Nconcentra—tionworsethanII，HIand1Vlimitsdecrease22％，89％and50％respectively，themaximumandaverageconcentrationsde—crease21％and10％；themaximumimpactareasofTPdecrease19％，85％and33％respectively，themaximumandaverageconcentrationsdecrease22％and7％；themaximumimpactareasofCODMdecrease84％，0％and0％respectively，themaxi—mumandaverageconcentrationsdecrease7％and3％．Keywords：waterqualitysimulation；MIKE21；wastewatertreatmentplant；QiantangRiverEstuary